CN108109182B - 一种pet图像重建方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种PET图像重建方法和装置，其中方法包括：根据每个符合事件包括的光子信息，确定所述符合事件的发射路径，符合事件包括：真符合和散射符合；根据所述发射路径、以及光子信息中的时间数据，确定所述符合事件对应的所述发射路径上的湮灭位置；根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，进行PET图像重建。本公开提高了数据利用率和图像重建的效率。

Description

一种PET图像重建方法和装置
技术领域
本公开涉及医学图像处理技术，特别涉及一种PET图像重建方法和装置。
背景技术
当前，正电子发射断层成像(Positron Emission Computed Tomography，PET)技术已经大量应用于肿瘤早期检测、药物筛选等重要的生物医学研究领域。PET技术是通过向被检体内注入具有放射性的示踪剂，并在体外探测湮灭事件产生的光子信号，可以根据探测到的数据重建出示踪剂在体内的空间分布，从而间接获取被检体的生理代谢信息。湮灭事件产生的γ光子可以被PET设备的晶体探测到，PET设备采集到的数据可以包括：真符合、散射符合和随机符合。在根据上述采集数据重建PET图像时，通常会将散射符合和随机符合的数据剔除，比如，可以根据散射校正因子和随机校正因子去除数据。但是，其中的散射符合的数据也是由同一个湮灭事件产生的两个光子，上述直接剔除的方式将损失了采集数据的统计量，使得散射数据得不到充分利用，并且散射数据剔除的过程也增加了计算量，耗费时间，降低图像重建效率。
发明内容
有鉴于此，本公开提供一种PET图像重建方法和装置，以将散射数据应用到图像重建中，提高数据利用率和图像重建的效率。
具体地，本公开是通过如下技术方案实现的：
第一方面，提供一种PET图像重建方法，所述方法包括：
根据每个符合事件包括的光子信息，确定所述符合事件的发射路径，所述符合事件包括：真符合和散射符合；
根据所述发射路径、以及光子信息中的时间数据，确定所述符合事件对应的所述发射路径上的湮灭位置；
根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，进行PET图像重建。
第二方面，提供一种PET图像重建装置，所述装置包括：
路径确定模块，用于根据每个符合事件包括的光子信息，确定所述符合事件的发射路径，所述符合事件包括：真符合和散射符合；
位置确定模块，用于根据所述发射路径、以及光子信息中的时间数据，确定所述符合事件对应的所述发射路径上的湮灭位置；
重建处理模块，用于根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，进行PET图像重建。
本公开提供的PET图像重建方法和装置，通过将真符合和散射符合均用于图像重建，提高了数据的利用率，并且，本方法计算了散射符合的发射路径，不同于现有技术中的将光子所入射晶体对的连线作为发射路径，所以不需要在重建校正过程中进行散射校正，减少了计算量，提高了PET图像重建的效率。
附图说明
图1a是本公开一示例性实施例示出的一种真符合示意图；
图1b是本公开一示例性实施例示出的一种散射符合示意图；
图2是本公开一示例性实施例示出的光子和各层晶体的入射相交位置的示意图；
图3是本公开一示例性实施例示出的PET图像重建方法的流程图；
图4是本公开一示例性实施例示出的一种符合事件发射路径的确定流程；
图5是本公开一示例性实施例示出的光子发射路径示意图；
图6a是本公开一示例性实施例示出的真符合湮灭位置示意图；
图6b是本公开一示例性实施例示出的散射符合湮灭位置示意图；
图7是本公开一示例性实施例示出的一种图像重建设备的结构示意图；
图8是本公开一示例性实施例示出的另一种图像重建装置的结构示意图；
图9是本公开一示例性实施例示出的第三种图像重建装置的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
PET设备采集到的符合事件可以包括：真符合、散射符合和随机符合。
真符合：例如，可以是由同一个湮灭事件产生的两个光子，如图1a所示，该两个光子的出射方向相反，呈约180度。
散射符合：例如，可以是由同一个湮灭事件产生的两个光子，如图1b所示，这两个光子的其中一个光子在出射过程中偏离了原方向，形成了折线出射方向。
随机符合：例如，可以是由两个湮灭事件产生的两个光子。
其中，散射符合的数据是由同一个湮灭事件产生的两个光子，即也对应实际的湮灭事件，因此，本公开将散射数据也应用到PET图像重建中，既可以节省散射校正的时间，并且可以充分利用统计数据，提高PET的灵敏度。
本公开的PET图像重建，可以是TOF-PET(Time-of-Flight PET，基于飞行时间的PET)的图像重建，该图像重建需要获取湮灭事件所在的发射路径即响应线(Line ofResponse，LOR)、以及湮灭事件在路径上发生的大致范围。
如下详细描述本公开的PET图像重建方法：
以二重符合为例，每一个符合事件包括两个光子信息，该光子信息可以采用listmode的方式存储记录，例如，如下表1所示：
表1符合事件的光子信息
Figure BDA0001161339080000041
如上表1所示，每个符合事件可以包括两个光子，例如，第一光子和第二光子，每个光子对应的光子信息可以包括：时间、能量、位置和角度。其中，时间即光子被晶体接收到的时间，能量即光子的能量，位置即接收光子的晶体的所在位置，角度即光子入射晶体的角度。
对于其中的“位置”和“角度”数据的获取，说明如下：
例如，以位置灵敏型探测器为例(只要是可以测得入射向量的探测器设计均适用，不局限于位置灵敏型探测器)，该探测器采用分层式晶体阵列的设计，可以记录光子打到每层晶体的位置。假设晶体阵列共有N层，光子在入射晶体阵列时，打到各层i的位置为(xi，yi，zi)，i＝1，2...，N，该位置可以称为入射相交位置。图2示意了光子和各层晶体的入射相交位置的示意图，光子不一定与全部的各层相交，但可以至少与两层相交。
可以根据光子与每层晶体的入射相交位置，获得光子到达晶体时的入射向量
Figure BDA0001161339080000042
该入射向量即上述表1中的“角度”。例如，入射向量可以通过拟合等方式获得，或者，还可以是按照下述公式计算：入射向量
Figure BDA0001161339080000043
j可以是2～N的集合中的任何一个值。
而光子信息中的“位置”，例如可以是(x1，y1，z1)，该位置可以是光子与最终到达的那层晶体的入射相交位置。比如，仍以上述的分层晶体阵列为例，假设光子入射时穿过了第1层晶体、第2层晶体，最终在第3层晶体停止，那就相当于光子被第3层晶体探测到。而光子在入射过程中，分别与第1层晶体、第2层晶体和第3层晶体都有入射相交位置，根据任意两个入射相交位置可以确定角度数据即入射向量，而光子的位置即其与第3层晶体的入射相交位置(x3,y3,z3)。
本公开的PET图像重建方法，将根据上述list mode记录的光子信息，进行图像重建，该方法可以结合图3所示的流程，可以包括：
在步骤301中，根据每个符合事件包括的光子信息，确定该符合事件的发射路径，该符合事件包括：真符合和散射符合。
本例子中，在本步骤之前可以先进行随机校正，去除掉符合事件中的随机符合的数据，例如，可以采用延迟法或者单光子法进行随机校正，然后可以对真符合和散射符合一起，执行本方法的流程，即不论真符合或者散射符合，均按照该方法处理。在其他的例子中，如果随机符合的数据比较少，可以忽略，也可以不进行随机校正。
本公开的图1a和图1b中，已经示意了真符合和散射符合的发射路径，本步骤可以通过定量计算确定上述的发射路径。对于一个符合事件，可以包括两个光子，假设这两个光子分别为光子A和光子B，这两个光子由同一个湮灭事件产生后各自行进直至被晶体探测到。那么，可以分别获取这两个光子的发射路径，这两个发射路径应该会有一个交点，从而可以得到完整的符合事件路径。
如图4所示，符合事件的发射路径可以按照如下方法确定：
步骤3011中，根据光子信息中的位置数据和角度数据，分别得到每个光子的发射路径。
例如，设光子A的位置数据为
Figure BDA0001161339080000051
角度数据即入射向量为
Figure BDA0001161339080000052
则光子A的发射路径LA的直线方程为：
Figure BDA0001161339080000053
其中R表示实数域。根据该直线方程可以得到光子A的发射路径如图5所示，该路径为P-DA所在的直线，当然交点P是后续步骤得到。又例如，设光子B的位置数据为
Figure BDA0001161339080000054
角度数据为
Figure BDA0001161339080000055
则光子B的发射路径LB的直线方程为：
Figure BDA0001161339080000056
如图5所示，根据该直线方程可以得到光子B的发射路径如图5所示，该路径为P-DB所在的直线。
步骤3012中，确定所述两个光子的发射路径的交点，得到所述符合事件的发射路径。
对于真符合或散射符合，根据正电子湮灭的物理过程可知光子A和B的发射路径必有一个交点，不妨设交点为P＝(xAB，yAB，zAB)，在步骤3011中确定了光子A和B的发射路径的基础上，可以根据这两条发射路径对应的直线方程，计算两条直线的交点P，则图5所示的DAPDB即为该符合事件的发射路径。
图5所示例的符合事件的发射路径，可以是一个散射符合的发射路径，是一个折线形式的路径，湮灭点在该发射路径上的某一点(不一定是交点P)，且湮灭点产生的光子A和光子B，沿着图5所示的路径行进，直至分别被晶体探测到，光子的接收位置分别为DA和DB。如果是一个真符合，其发射路径可以是一条直线，两个光子沿着180度相反的方向行进直至被晶体接收。
步骤302、根据所述发射路径、以及光子信息中的时间数据，确定所述符合事件对应的所述发射路径上的湮灭位置。
例如，对于真符合数据，可以利用两个光子到达晶体的时间数据，估计出湮灭发生的大概范围，如图6a所示。对于散射符合，在步骤301中已经得到了散射符合的发射路径，同样可以根据光子信息中的时间数据，估计出发射路径上湮灭发生的大概范围，如图6b所示。
不论是真符合或者散射符合的发射路径，所确定的湮灭位置，可以是根据光速和时间数据确定：例如，根据光子A和光子B的时间，可以得到这两个光子的时间差，即这两个光子分别被两个晶体探测到的时间之差；而湮灭点在图6a或图6b所示的湮灭位置时，两个光子沿着图中所示的发射路径行进，最终被晶体探测的时间差才符合光子信息中的时间差。
步骤303、根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，进行TOF-PET图像重建。
本步骤中，可以根据所述湮灭位置、发射路径和光子信息，确定图像重建模型中的模型参数，并根据所述模型参数获得图像重建模型。
例如，重建模型可以为Yj＝PijXiAjNj+Rj；
其中，j代表发射路径，该路径可以包括真符合的直线路径以及散射符合的折线路径；
Yj表示发射路径j上的符合事件数据；
Xi代表发射图像(即PET图像)第i个体素；
投影矩阵Pij代表发射图像第i体素被发射路径j接受的概率；
Aj代表发射路径j上的衰减概率，不同的发射路径该概率可能不同；
Nj代表发射路径j上的正规化因子，该因子可以结合湮灭位置确定；
Rj代表发射路径j上的随机符合数据。
Pij、Aj及Nj的计算方法可以按照常规方式确定，不再赘述。
根据所述图像重建模型，可以得到迭代重建公式，本例子的迭代重建公式可以为
Figure BDA0001161339080000071
其中j表示所有可能的发射路径，evt代表所有的符合事件数据。根据该迭代重建公式可以进行TOF-PET图像重建。
本例子的PET重建方法中，可以将真符合和散射符合均用于图像重建，提高了数据的利用率，并且，本方法计算了散射符合的发射路径，不同于现有技术中的将光子所入射晶体对的连线作为发射路径(散射符合被误当作其他发射路径上的真符合)，所以不需要在重建校正过程中进行散射校正，减少了计算量，提高了PET图像重建的效率。
参见图7所示，对应于上述方法，本公开同时提供一种图像重建设备。在TOF-PET设备中，探测器探测到湮灭事件产生的γ光子后，可以获取该光子的采集时间、能量、位置等光子信息，并根据这些数据进行符合判定以确定符合事件。符合事件的光子信息可以被送往该图像重建设备，以使得图像重建设备根据这些数据进行PET图像的重建。
如图7所示，该设备可以包括处理器701以及机器可读存储介质702，其中，处理器701和机器可读存储介质702通常借由内部总线703相互连接。在其他可能的实现方式中，所述设备还可能包括外部接口704，以能够与其他设备或者部件进行通信。进一步地，机器可读存储介质702上存储有PET图像重建的控制逻辑705，该控制逻辑705从功能上划分的逻辑模块，可以是图8所示的PET图像重建装置的结构。
如图8所示，该PET图像重建装置用于根据符合事件的光子信息重建PET图像。所述装置包括：路径确定模块81、位置确定模块82和重建处理模块83。
路径确定模块81，用于根据每个符合事件包括的光子信息，确定所述符合事件的发射路径，所述符合事件包括：真符合和散射符合；
位置确定模块82，用于根据所述发射路径、以及光子信息中的时间数据，确定所述符合事件对应的所述发射路径上的湮灭位置；
重建处理模块83，用于根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，进行TOF-PET图像重建。
在一个例子中，路径确定模块81，具体用于对于所述符合事件中包括的两个光子，根据所述光子信息中的位置数据和角度数据，分别得到每个光子的发射路径；确定所述两个光子的发射路径的交点，得到所述符合事件的发射路径。
在一个例子中，路径确定模块81，还用于获取所述光子在入射晶体时，与所述晶体的至少两个入射相交位置；根据所述至少两个入射相交位置，得到所述光子入射晶体的所述角度数据。
在一个例子中，如图9所示，该装置还可以包括：校正处理模块84，用于进行随机校正，去除所述符合事件中的随机符合。
在一个例子中，重建处理模块83，具体用于根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，确定图像重建模型中的模型参数，并根据所述模型参数获得所述图像重建模型；根据所述图像重建模型得到迭代重建公式，根据所述迭代重建公式进行TOF-PET图像重建。
在不同的例子中，所述机器可读存储介质702可以是：RAM(Radom Access Memory，随机存取存储器)、易失存储器、非易失性存储器、闪存、存储驱动器(如硬盘驱动器)、固态硬盘、任何类型的存储盘(如光盘、dvd等)，或者类似的存储介质，或者它们的组合。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种正电子发射断层成像PET图像重建方法，其特征在于，所述方法包括：
进行随机校正，去除符合事件中的随机符合；
对于所述随机校正后的符合事件，根据每个符合事件包括的光子信息，确定所述符合事件的发射路径，所述随机校正后的符合事件包括：真符合和散射符合；
根据所述发射路径、以及光子信息中的时间数据，确定所述符合事件对应的所述发射路径上的湮灭位置；
根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，进行PET图像重建；
所述根据每个符合事件包括的光子信息，确定所述符合事件的发射路径，包括：
对于所述符合事件中包括的两个光子，根据所述光子信息中的位置数据和角度数据，分别得到每个光子的发射路径；所述光子信息包括时间数据、角度数据和位置数据；
确定所述两个光子的发射路径的交点，得到所述符合事件的发射路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述光子在入射晶体时，与所述晶体的至少两个入射相交位置；
根据所述至少两个入射相交位置，得到所述光子入射晶体的所述角度数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，进行PET图像重建，包括：
根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，确定图像重建模型中的模型参数，并根据所述模型参数获得所述图像重建模型；
根据所述图像重建模型得到迭代重建公式，根据所述迭代重建公式进行PET图像重建。
4.一种PET图像重建装置，其特征在于，所述装置包括：
校正处理模块，用于进行随机校正，去除符合事件中的随机符合；
路径确定模块，用于对于所述随机校正后的符合事件，根据每个符合事件包括的光子信息，确定所述符合事件的发射路径，所述随机校正后的符合事件包括：真符合和散射符合；
位置确定模块，用于根据所述发射路径、以及光子信息中的时间数据，确定所述符合事件对应的所述发射路径上的湮灭位置；
重建处理模块，用于根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，进行PET图像重建；
所述路径确定模块，具体用于对于所述符合事件中包括的两个光子，根据所述光子信息中的位置数据和角度数据，分别得到每个光子的发射路径；确定所述两个光子的发射路径的交点，得到所述符合事件的发射路径；所述光子信息包括时间数据、角度数据和位置数据。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述路径确定模块，还用于获取所述光子在入射晶体时，与所述晶体的至少两个入射相交位置；根据所述至少两个入射相交位置，得到所述光子入射晶体的所述角度数据。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述重建处理模块，具体用于根据所述湮灭位置、发射路径和所述光子信息，确定图像重建模型中的模型参数，并根据所述模型参数获得所述图像重建模型；根据所述图像重建模型得到迭代重建公式，根据所述迭代重建公式进行PET图像重建。
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